KR20220131542A - Polycrystalline cubic boron nitride material - Google Patents

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시아오쉬에 장
볼로디미르 부쉬랴
필립 에른스트 렌릭
얀-에릭 스탈
데니스 스트라티척
이고르 페트루샤
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Abstract

본 발명은, 질화물 화합물을 함유하는 결합제 매트릭스 재료를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료에 관한 것이다. 상기 질화물 화합물은 HfN, VN 및/또는 NbN으로부터 선택된다.The present invention relates to polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) materials comprising a binder matrix material containing a nitride compound. The nitride compound is selected from HfN, VN and/or NbN.

Description

다결정질 입방정 질화붕소 재료Polycrystalline cubic boron nitride material

본 발명은 소결된 다결정질 입방정 질화붕소 재료 및 이러한 재료의 제조 방법의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 소결된 다결정질 입방정 질화붕소 재료를 사용한 인코넬(Inconel)™ 부류의 초합금의 기계가공에 관한 것이다.The present invention relates to the field of sintered polycrystalline cubic boron nitride materials and methods of making such materials. In particular, the present invention relates to the machining of superalloys of the Inconel™ class using sintered polycrystalline cubic boron nitride material.

다결정질 다이아몬드(PCD) 및 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN)와 같은 다결정질 초경질 재료는 암석, 금속, 세라믹, 복합물 및 목재-함유 재료와 같은 경질 또는 연마 재료를 절단, 기계가공(machining), 드릴링 또는 마멸(degrading)을 위한 매우 다양한 공구에서 사용될 수 있다.Polycrystalline superhard materials such as polycrystalline diamond (PCD) and polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) are used for cutting, machining, It can be used in a wide variety of tools for drilling or degrading.

연마 콤팩트는 절단, 선삭(turning), 밀링, 연삭(grinding), 드릴링 또는 기타 연마 작업에 광범위하게 사용된다. 이는 일반적으로 제2 상 매트릭스에 분산된 초경질 연마 입자를 포함한다. 매트릭스는 금속 또는 세라믹 또는 서멧(cermet)일 수 있다. 초경질 연마 입자는 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cBN), 탄화규소 또는 질화규소 등일 수 있다. 이들 입자는, 일반적으로 사용되는 고압 및 고온 콤팩트 제조 공정 동안 서로 결합되어 다결정질 매스(mass)를 형성하거나, 제2 상 재료(들)의 매트릭스를 통해 결합되어 소결된 다결정질 바디를 형성할 수 있다. 이러한 바디는 일반적으로 다결정질 다이아몬드 또는 다결정질 입방정 질화붕소로 알려져 있으며, 초경질 연마재로서 다이아몬드 또는 cBN을 각각 포함한다.Abrasive compacts are widely used for cutting, turning, milling, grinding, drilling or other abrasive operations. It generally comprises ultra-hard abrasive particles dispersed in a second phase matrix. The matrix may be metal or ceramic or cermet. The ultra-hard abrasive particles may be diamond, cubic boron nitride (cBN), silicon carbide or silicon nitride, or the like. These particles can bond with each other during the commonly used high pressure and high temperature compact manufacturing processes to form a polycrystalline mass, or bond through a matrix of second phase material(s) to form a sintered polycrystalline body. have. These bodies are commonly known as polycrystalline diamond or polycrystalline cubic boron nitride and contain diamond or cBN respectively as an ultra-hard abrasive.

미국 특허 제4,334,928호는, 20 내지 80 부피%의 입방정 질화붕소; 및 주기율표의 IVa 또는 Va 전이 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물 및 실리사이드, 이들의 혼합물 및 이들의 고용체 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 매트릭스 화합물 재료의 매트릭스인 잔부로 본질적으로 이루어진 공구에서 사용하기 위한 소결된 콤팩트를 교시한다. 이 특허에 개요된 방법은 모두 볼 밀링, 모르타르 등과 같은 기계적 밀링/혼합 기술을 사용하여 원하는 재료를 합치는 것을 포함한다.U.S. Patent No. 4,334,928 discloses 20 to 80% by volume of cubic boron nitride; and the remainder being a matrix of one or more matrix compound materials selected from the group consisting of carbides, nitrides, carbonitrides, borides and silicides of transition metals IVa or Va of the periodic table, mixtures thereof and solid solution compounds thereof. A sintered compact for use is taught. The methods outlined in this patent all involve joining the desired materials using mechanical milling/mixing techniques such as ball milling, mortar, and the like.

소결된 다결정질 바디는, 이를 기재(substrate) 상에 형성함으로써 '지지(back)'될 수 있다. 적합한 기재를 형성하는 데 사용될 수 있는 세멘티드(cemented) 탄화 텅스텐은, 예를 들어 탄화 텅스텐 입자/그레인 및 코발트를 함께 혼합한 다음 가열하여 고화시킴으로써 코발트 매트릭스에 분산된 탄화물 입자로부터 형성된다. PCD 또는 PCBN과 같은 초경질 재료 층으로 절단 요소를 형성하기 위해 다이아몬드 입자 또는 그레인 또는 CBN 그레인은 니오븀 인클로저(enclosure)와 같은 내화성(refractory) 금속 인클로저의 세멘티드 탄화 텅스텐 바디에 인접하게 배치되고 고압 및 고온으로 처리되어 다이아몬드 그레인 또는 CBN 그레인 사이의 입자간 결합이 일어나 다결정질 초경질 다이아몬드 또는 다결정질 CBN 층을 형성한다.The sintered polycrystalline body can be 'backed' by forming it on a substrate. Cemented tungsten carbide, which may be used to form a suitable substrate, is formed from, for example, carbide particles dispersed in a cobalt matrix by mixing tungsten carbide particles/grains and cobalt together and then heating to solidify. To form a cutting element with a layer of superhard material such as PCD or PCBN, diamond grains or grains or CBN grains are placed adjacent to a cemented tungsten carbide body of a refractory metal enclosure such as a niobium enclosure and subjected to high pressure and pressure. High temperature treatment causes intergranular bonding between diamond grains or CBN grains to form a polycrystalline superhard diamond or polycrystalline CBN layer.

일부 경우에서, 기재는 초경질 재료 층에 부착되기 전에 완전히 소결될 수 있는 반면, 다른 경우에, 기재는 그린(green) 상태일 수 있다(완전히 소결되지 않음). 후자의 경우, 기재는 HPHT 소결 과정에서 완전히 소결될 수 있다. 기재는 분말 형태일 수 있으며, 초경질 재료 층을 소결하기 위해 사용되는 소결 공정 동안 고화될 수 있다.In some cases, the substrate may be fully sintered prior to attachment to the superhard material layer, while in other cases the substrate may be green (not fully sintered). In the latter case, the substrate can be completely sintered during the HPHT sintering process. The substrate may be in powder form and may be solidified during the sintering process used to sinter the superhard material layer.

다르게는, 고체 소결된 다결정질 바디는 지지되지 않을 수 있고, 기재 없이 자립형으로 형성될 수 있다.Alternatively, the solid sintered polycrystalline body may be unsupported and formed free-standing without a substrate.

도 1은, 소결된 PCBN 재료의 예시적 제조 방법을 보여준다. 하기 번호는 도 1의 번호에 해당한다.1 shows an exemplary method of manufacturing a sintered PCBN material. The following numbers correspond to the numbers in FIG. 1 .

S1. 매트릭스 전구체 분말을 예비-혼합한다. 매트릭스 전구체 분말의 예는 티타늄 및 알루미늄의 탄화물 및/또는 질화물을 포함한다. 매트릭스 전구체 분말의 전형적인 평균 그레인 크기는 1 μm 내지 10 μm이다.S1. The matrix precursor powder is pre-mixed. Examples of matrix precursor powders include carbides and/or nitrides of titanium and aluminum. Typical average grain sizes of matrix precursor powders are between 1 μm and 10 μm.

S2. 매트릭스 전구체 분말을 1시간 이상 동안 1000℃ 초과에서 열처리하여 매트릭스 전구체 입자들 사이의 예비-반응을 개시하여 "케이크"를 형성한다.S2. The matrix precursor powder is heat treated above 1000° C. for at least 1 hour to initiate a pre-reaction between the matrix precursor particles to form a “cake”.

S3. 케이크를 분쇄하고 체질하여 원하는 입자 크기 분율을 수득한다.S3. The cake is ground and sieved to obtain the desired particle size fraction.

S4. 체질된 매트릭스 전구체 분말에 0.5 μm 내지 15 μm의 평균 그레인 크기를 갖는 입방정 질화붕소(cBN) 입자를 첨가한다.S4. Cubic boron nitride (cBN) particles having an average grain size of 0.5 μm to 15 μm are added to the sieved matrix precursor powder.

S5. 생성된 혼합 분말을 볼 밀링하여 매트릭스 전구체 분말을 원하는 크기(전형적으로 50 nm 내지 700 nm)로 분해하고, 매트릭스 전구체 분말을 cBN 입자와 친밀하게 혼합한다. 이 공정은 많은 시간이 걸릴 수 있으며 탄화 텅스텐 볼과 같은 밀링 매질의 사용을 포함한다.S5. The resulting mixed powder is ball milled to break down the matrix precursor powder to a desired size (typically 50 nm to 700 nm), and the matrix precursor powder is intimately mixed with the cBN particles. This process can be time consuming and involves the use of milling media such as tungsten carbide balls.

S6. 생성된 밀링된 분말을 60℃ 초과에서 진공 또는 저압 하에서 건조시켜 용매를 제거하고, 이어서 시스템에 산소를 천천히 허용하여 알루미늄과 같은 금속 표면을 부동태화함으로써 컨디셔닝한다.S6. The resulting milled powder is dried under vacuum or low pressure above 60° C. to remove the solvent and then conditioned by slowly allowing oxygen to the system to passivate metal surfaces such as aluminum.

S7. 건조 분말을 체질하고 예비-복합물 어셈블리를 제조한다.S7. The dry powder is sieved and a pre-composite assembly is prepared.

S8. 예비-복합물 어셈블리를 700℃ 초과에서 열처리하여 임의의 흡착된 물 또는 가스를 제거한다.S8. The pre-composite assembly is heat treated above 700° C. to remove any adsorbed water or gas.

S9. 가스방출된(outgassed) 예비-복합물 어셈블리를 소결에 적합한 캡슐로 조립한다.S9. The outgassed pre-composite assembly is assembled into capsules suitable for sintering.

S10. 캡슐을 1250℃ 이상 및 4 GPa 이상의 고압 고온(HPHT) 공정으로 소결하여 소결된 PCBN 재료를 형성한다.S10. The capsule is sintered in a high pressure high temperature (HPHT) process above 1250° C. and above 4 GPa to form a sintered PCBN material.

텅스텐(W)과 코발트(Co)는 모두 유럽에서 중요 원료(CRM)로 분류된다. CRM은 유럽 경제에 경제적 및 전략적으로 중요한 것으로 간주되는 원료이다. 원칙적으로, 이들은 공급과 관련하여 높은 위험을 가지고 있고 소비자 전자 제품, 환경 기술, 자동차, 항공 우주, 국방, 건강 및 스틸과 같은 유럽 경제의 핵심 부문에 대해 상당한 중요성을 가지고 있으며, (사용가능한) 대체품이 결여된다. 텅스텐과 코발트는 두 가지 중요한 부류의 경질 재료인 세멘티드 탄화물/WC-Co 및 PCD/다이아몬드-Co에 대한 주 성분이다.Both tungsten (W) and cobalt (Co) are classified as important raw materials (CRM) in Europe. CRM is a raw material that is considered economically and strategically important to the European economy. In principle, they have a high risk associated with supply and are of considerable importance for key sectors of the European economy, such as consumer electronics, environmental technology, automotive, aerospace, defense, health and steel, and (available) substitutes. This is lacking. Tungsten and cobalt are the main constituents for two important classes of hard materials: cemented carbide/WC-Co and PCD/diamond-Co.

본 발명의 목적은 극한 조건 하에 잘 수행되며 WC-Co 백킹(backing)의 사용이 요구되지 않는 툴링(tooling) 작업을 위한 사용가능한 대체 재료를 개발하는 것이다.It is an object of the present invention to develop a usable alternative material for tooling operations that performs well under extreme conditions and does not require the use of a WC-Co backing.

본 발명의 제1 양태에 따르면, According to a first aspect of the present invention,

40 내지 95 부피% 입방정 질화붕소(cBN) 입자; 및 40 to 95% by volume cubic boron nitride (cBN) particles; and

상기 cBN 입자가 분산되어 있는 결합제 매트릭스 재료A binder matrix material in which the cBN particles are dispersed

를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료가 제공되고, 이때There is provided a polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) material comprising:

상기 결합제 매트릭스 재료의 함량은 PCBN 재료의 5 부피% 내지 60 부피%이고,The content of the binder matrix material is 5% to 60% by volume of the PCBN material,

상기 결합제 매트릭스 재료는 알루미늄 또는 이의 화합물 및/또는 티타늄 또는 이의 화합물을 포함하고,the binder matrix material comprises aluminum or a compound thereof and/or titanium or a compound thereof,

상기 결합제 매트릭스 재료는, 산화물 화합물, 질화물 화합물 및/또는 산질화물(oxynitride)을 추가로 포함하고,The binder matrix material further comprises an oxide compound, a nitride compound and/or an oxynitride,

상기 질화물 화합물은 HfN, VN, 및/또는 NbN 중 어느 하나 이상이다.The nitride compound is at least one of HfN, VN, and/or NbN.

임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 5 부피% 내지 35 부피%의 양으로 존재한다.Optionally, the oxynitride compound is present in an amount from 5% to 35% by volume of the PCBN material.

임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 10 부피% 내지 25 부피%의 양으로 존재한다.Optionally, the oxynitride compound is present in an amount from 10% to 25% by volume of the PCBN material.

임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 AlON을 포함한다.Optionally, the oxynitride compound comprises AlON.

임의적으로, 상기 산화물 화합물이 Al2O3를 포함한다. 상기 Al2O3가 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재할 수 있다.Optionally, the oxide compound comprises Al 2 O 3 . The Al 2 O 3 may be present in an amount of 10% by volume or 25% by volume of the PCBN material.

임의적으로, 상기 HfN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다. 상기 결합제 매트릭스 재료가 HfB2 및/또는 BN을 추가로 포함할 수 있다.Optionally, the HfN is present in an amount of 10% or 25% by volume of the PCBN material. The binder matrix material may further comprise HfB 2 and/or BN.

임의적으로, 상기 VN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다. 상기 결합제 매트릭스 재료가 AlN 및/또는 BN을 추가로 포함할 수 있다.Optionally, the VN is present in an amount of 10% or 25% by volume of the PCBN material. The binder matrix material may further comprise AlN and/or BN.

임의적으로, 상기 NbN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다.Optionally, the NbN is present in an amount of 10% or 25% by volume of the PCBN material.

임의적으로, 상기 알루미늄(Al) 또는 이의 화합물이 PCBN 재료의 2 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 5 부피% 내지 15 부피%, 보다 바람직하게는 5 부피%의 양으로 존재한다. Optionally, said aluminum (Al) or a compound thereof is present in an amount of 2% to 15% by volume, preferably 5% to 15% by volume, more preferably 5% by volume of the PCBN material.

상기 PCBN 재료가 50 내지 70 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함할 수 있다. 임의적으로, 상기 PCBN 재료가 60 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함한다.The PCBN material may include 50 to 70% by volume cubic boron nitride (cBN). Optionally, the PCBN material comprises 60% by volume cubic boron nitride (cBN).

본 발명의 제2 양태에 따르면, According to a second aspect of the present invention,

o 입방정 질화붕소(cBN) 분말,o cubic boron nitride (cBN) powder,

o 산화물-함유 분말,o oxide-containing powders,

o HfN, VN, 및/또는 NbN으로부터 선택되는 질화물-함유 분말, 및o a nitride-containing powder selected from HfN, VN, and/or NbN, and

o 알루미늄-함유 분말 및/또는 티타늄-함유 분말o Aluminum-containing powders and/or titanium-containing powders

의 전구체 분말들을 함께 밀링(milling)하는 단계;milling the precursor powders of

밀링된 전구체 분말을 압착(compacting)하여 그린 바디(green body)를 형성하는 단계; 및forming a green body by compacting the milled precursor powder; and

상기 그린 바디를 4.0 GPa 내지 8.5 GPa의 압력에서 1250℃ 내지 2200℃의 온도에서 소결하여 소결된 본 발명의 제1 양태에 따른 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료를 형성하는 단계Sintering the green body at a temperature of 1250° C. to 2200° C. at a pressure of 4.0 GPa to 8.5 GPa to form a sintered polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) material according to the first aspect of the present invention

를 포함하는 PCBN 재료의 제조 방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a PCBN material comprising a.

임의적으로, 상기 산화물-함유 분말이 Al2O3를 포함한다.Optionally, the oxide-containing powder comprises Al 2 O 3 .

임의적으로, 상기 온도가 1250℃ 내지 1450℃이다.Optionally, the temperature is between 1250°C and 1450°C.

임의적으로, 상기 온도가 1350℃이다.Optionally, the temperature is 1350°C.

임의적으로, 상기 압력이 약 6.5 GPa이다.Optionally, the pressure is about 6.5 GPa.

임의적으로, 상기 온도가 1800℃ 내지 2100℃이다.Optionally, the temperature is between 1800°C and 2100°C.

임의적으로, 상기 압력이 약 8 GPa이다.Optionally, the pressure is about 8 GPa.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 내열성 초합금을 기계가공하기 위한, 본 발명의 제1 양태에 따른 PCBN 재료의 용도가 제공된다. 이러한 내열성 초합금은 오스테나이트 니켈-크롬 기반 초합금 계열인 인코넬™을 포함할 수 있다.According to a third aspect of the invention, there is provided the use of the PCBN material according to the first aspect of the invention for machining a heat-resistant superalloy. Such heat-resistant superalloys may include Inconel™, an austenitic nickel-chromium based superalloy series.

이제 비제한적인 실시양태가 예로서 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 소결된 PCBN 재료를 제조하는 공지된 예시적 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PcBN 재료를 제조하기 위해 이용되는 공정의 실시양태를 보여주는 흐름도이다.
도 3은 6.5GPa에서 소결된 HfN 및 Al2O3를 함유하는 분말 1을 사용하여 생성된 소결된 실시예 1의 X선 분말 회절(XRD) 패턴이다.
도 4는 배율 X2000에서의 실시예 1의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 실시예 1의 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 이미지이다.
도 6은 6.5 GPa 조건에서 소결된, VN 및 Al2O3를 포함하는 분말 2를 사용하여 생성된 소결된 실시예 2의 XRD 패턴이다.
도 7은 X2000 배율에서의 실시예 2의 SEM 현미경 사진이다.
도 8은 실시예 2의 EDS 이미지이다.
도 9는 8.4 GPa 조건에서 VN을 함유하는 분말 2를 사용하여 제조된 소결된 실시예 3의 XRD 패턴이다.
도 10은, 경도를 계산하는데 사용된 측정치를 나타내는 PCBN 재료의 예시적인 만입부의 이미지이다.
도 11은, 상이한 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 프로파일 작업의 성능을 보여주는 선 차트이다.
도 12는, VN 및 Al2O3 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 및 LPLT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 길이 방향(longitudinal) 기계가공의 성능을 보여주는 막대 차트이다.
도 13은, 도 12의 TiC 결합제를 사용한 참조 PCBN 재료의 마모 스카(scar)를 보여주는 광학 이미지이다.
도 14는, 도 12의 HPHT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
도 15는, 도 12의 LPLT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Non-limiting embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings by way of example.
1 is a flow diagram illustrating a known exemplary method of making a sintered PCBN material.
2 is a flow chart showing an embodiment of a process used to make a PcBN material according to the present invention.
3 is an X-ray powder diffraction (XRD) pattern of sintered Example 1 produced using powder 1 containing HfN and Al 2 O 3 sintered at 6.5 GPa.
4 shows a scanning electron microscope (SEM) micrograph of Example 1 at a magnification of X2000.
5 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) image of Example 1. FIG.
6 is an XRD pattern of sintered Example 2 produced using powder 2 containing VN and Al 2 O 3 , sintered at 6.5 GPa conditions.
7 is an SEM micrograph of Example 2 at X2000 magnification.
8 is an EDS image of Example 2.
9 is an XRD pattern of sintered Example 3 prepared using powder 2 containing VN at 8.4 GPa conditions.
10 is an image of an exemplary indentation in a PCBN material showing measurements used to calculate hardness.
11 is a line chart showing the performance of profiling aged Inconel™ 718 (HRC 44-46) of HPHT sintered samples using different binder chemistries.
12 is a bar chart showing the performance of longitudinal machining of aged Inconel™ 718 (HRC 44-46) of HPHT and LPLT sintered samples using VN and Al 2 O 3 binder chemistries.
FIG. 13 is an optical image showing the wear scar of a reference PCBN material using the TiC binder of FIG. 12 .
14 is an optical image showing a wear scar of a PCBN material using Al 2 O 3 -VN binder sintered in the HPHT condition of FIG. 12 .
15 is an optical image showing a wear scar of a PCBN material using Al 2 O 3 -VN binder sintered in the LPLT condition of FIG. 12 .

도 2는 예시적 단계를 나타내는 흐름도이며, 여기서 하기 번호는 도 2의 번호에 해당한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating exemplary steps, wherein the following numbers correspond to those in FIG. 2 .

S1. 전구체 분말을 함께 밀링하여 친밀한 혼합물을 형성하고 원하는 입자 크기를 수득한다. 전구체 분말은 산화물-함유 분말, 질화물-함유 분말, 알루미늄 분말 및 cBN 분말을 포함한다. 전구체 분말 혼합은 볼-밀링 기술을 사용하고 회전 증발기로 건조를 사용하여 유기 용매에서 수행되었다.S1. The precursor powders are milled together to form an intimate mixture and obtain the desired particle size. Precursor powders include oxide-containing powders, nitride-containing powders, aluminum powders and cBN powders. Precursor powder mixing was performed in organic solvents using a ball-milling technique and drying with a rotary evaporator.

S2. 밀링된 전구체 분말은 함께 건조 압착되어 HPHT 캡슐에 넣기 전에 금속 캡슐화에서 그린 바디를 형성한다. HPHT 소결의 경우, 구체적으로, 건조 후, 분말을 연질 주형에 충전하고, 이어서 냉간 등압 프레스(Cold Isostatic Press)를 사용하여 압축하여 분말을 압축하고, 소결 후 치수 변화게 적게 하기 위해 높은 그린 밀도를 갖는 그린 바디를 형성한다.S2. The milled precursor powders are dry pressed together to form a green body in a metal encapsulation prior to being placed in HPHT capsules. In the case of HPHT sintering, specifically, after drying, the powder is filled into a soft mold, and then compressed using a Cold Isostatic Press to compact the powder, and a high green density to reduce dimensional change after sintering. to form a green body with

이어서, 그린 바디를 상이한 높이로 절단하여 HPHT 캡슐에 피팅한다.The green body is then cut to different heights to fit into the HPHT capsule.

S3. 이어서, 건조 압축된 그린 바디를 고온 진공 열처리하고, 이어서 캡슐에서 소결한다.S3. The dry compressed green body is then subjected to high temperature vacuum heat treatment, followed by sintering in capsules.

이와 같이 제조된 재료는 하기 두가지 조건 하에 소결되었다:The material thus prepared was sintered under the following two conditions:

- 약 6.5 GPa의 압력 및 1250℃ 내지 1450℃의 온도, 전형적으로 1350℃; 및- a pressure of about 6.5 GPa and a temperature of 1250°C to 1450°C, typically 1350°C; and

- 약 8 GPa의 압력 및 1800℃ 내지 2100℃의 온도. - a pressure of about 8 GPa and a temperature of 1800 °C to 2100 °C.

소결 온도는 S형 열전대를 사용하여 최대 1800℃까지 보정되었다.The sintering temperature was calibrated up to 1800°C using an S-type thermocouple.

S4. 소결 후, 생성된 소결된 물품을 실온으로 냉각시켰다. 냉각 속도는 제어되지 않는다.S4. After sintering, the resulting sintered article was cooled to room temperature. The cooling rate is not controlled.

실시예Example

표 1은, TiC 및 TiCN 참조 샘플과 함께 이 작업에 포함된 모든 PcBN 조성물을 나열한다. 이 섹션에서, LPLT는 저압 저온을 나타내고, HPHT는 고압 고온을 나타낸다.Table 1 lists all PcBN compositions included in this work along with TiC and TiCN reference samples. In this section, LPLT stands for low pressure low temperature and HPHT stands for high pressure high temperature.

분말 1
Al2O3-HfN 결합제
powder 1
Al 2 O 3 -HfN binder
소결 조건Sintering conditions cBN (부피%)cBN (vol.%) Al2O3 (부피%)Al 2 O 3 (vol%) HfN (부피%)HfN (vol.%) Al (부피%)Al (vol.%)
LPHT (실시예 1)LPHT (Example 1) 6060 1010 2525 55 분말 2
Al2O3-VN 결합제
powder 2
Al 2 O 3 -VN binder
소결 조건Sintering conditions cBN (부피%)cBN (vol.%) Al2O3 (부피%)Al 2 O 3 (vol%) VN (부피%)VN (vol.%) Al (부피%)Al (vol.%)
LPLT (실시예 2) & HPHT (실시예 3)LPLT (Example 2) & HPHT (Example 3) 6060 2525 1010 55 분말 3
Al2O3-NbN 결합제
powder 3
Al 2 O 3 -NbN binder
소결 조건Sintering conditions cBN (부피%)cBN (vol.%) Al2O3 (부피%)Al 2 O 3 (vol%) NbN (부피%)NbN (vol.%) Al (부피%)Al (vol.%)
HPHTHPHT 6060 2525 1010 55 참조 1
TiC 결합제
Reference 1
TiC binder
소결 조건Sintering conditions cBN (부피%)cBN (vol.%) TiC (부피%)TiC (vol.%) Al (부피%)Al (vol.%)
HPHTHPHT 6060 3535 55 참조 2
TiCN 결합제
Reference 2
TiCN binder
소결 조건Sintering conditions cBN (부피%)cBN (vol.%) TiCN (부피%)TiCN (vol.%) Al (부피%)Al (vol.%)
HPHTHPHT 6060 3535 55

실시예 1, 2 및 3은 하기에 더 상세히 기술된다. 표 1에 제공된 다른 샘플(본 발명 및 참조)은 실시예 1, 2 및 3과 유사한 방식으로 제조되고, 특성화되고, 후속적으로 시험되었다.Examples 1, 2 and 3 are described in more detail below. Other samples provided in Table 1 (invention and reference) were prepared, characterized and subsequently tested in a similar manner to Examples 1, 2 and 3.

실시예 1Example 1

S1. Al2O3 및 HfN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.S1. A precursor powder comprising Al 2 O 3 and HfN was mixed with cBN powder in the proportions given in Table 1 according to the detailed description of the invention.

S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 금속 캡슐 내부에 그린 바디를 형성했다.S2. Then, the precursor powder was compressed to form a green body inside the metal capsule.

S3. 그린 바디를 캡슐 내부에 넣은 후 소결하였다.S3. The green body was placed inside the capsule and then sintered.

S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.S4. The sintered article, the PCBN material, was cooled to room temperature for subsequent characterization and application testing.

XRD 트레이스가 도 3에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 HfN, HfB2, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 도 4는 생성된 미세 구조를 나타내고, 도 5의 EDS 이미지는 샘플의 선택 영역에서의 미세 구조 조성의 분석을 제공한다.An XRD trace is provided in FIG. 3 showing the presence of HfN, HfB 2 , Al 2 O 3 and BN in the sintered article. Figure 4 shows the resulting microstructure, and the EDS image of Figure 5 provides an analysis of the microstructure composition in selected regions of the sample.

실시예 2Example 2

S1. Al2O3 및 VN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.S1. A precursor powder comprising Al 2 O 3 and VN was mixed with cBN powder in the proportions given in Table 1 according to the detailed description of the invention.

S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 금속 캡슐 내부에 그린 바디를 형성했다.S2. Then, the precursor powder was compressed to form a green body inside the metal capsule.

S3. 그린 바디를 캡슐 내부에 넣은 후 LPLT 소결하였다.S3. The green body was placed inside the capsule and then LPLT sintered.

S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.S4. The sintered article, the PCBN material, was cooled to room temperature for subsequent characterization and application testing.

XRD 트레이스가 도 6에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 VN, AlN, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 도 7은 생성된 미세 구조를 나타내고, 도 8의 EDS 이미지는 샘플의 선택 영역에서의 미세 구조 조성의 분석을 제공한다.An XRD trace is provided in FIG. 6 showing the presence of VN, AlN, Al 2 O 3 and BN in the sintered article. Figure 7 shows the resulting microstructure, and the EDS image of Figure 8 provides an analysis of the microstructure composition in selected regions of the sample.

실시예 3Example 3

S1. Al2O3 및 VN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.S1. A precursor powder comprising Al 2 O 3 and VN was mixed with cBN powder in the proportions given in Table 1 according to the detailed description of the invention.

S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 그린 바디를 형성했다.S2. Thereafter, the precursor powder was compressed to form a green body.

S3. 그린 바디를 소정 사이즈로 절단하고, 캡슐 내부에 넣은 후 HPHT 소결하였다.S3. The green body was cut to a predetermined size, put in a capsule, and then sintered with HPHT.

S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.S4. The sintered article, the PCBN material, was cooled to room temperature for subsequent characterization and application testing.

XRD 트레이스가 도 9에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 VN, AlN, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 샘플의 SEM 현미경 사진과 EDS 이미지를 촬영했지만 본원에 포함되지 않았다.An XRD trace is provided in FIG. 9 showing the presence of VN, AlN, Al 2 O 3 and BN in the sintered article. SEM micrographs and EDS images of the samples were taken but not included herein.

경도Hardness

샘플은 Vickers 경도 테스트를 사용하여 추가로 특성화되었다. Vickers 경도(HV)는, 주어진 하중으로 다이아몬드 피라미드 압자(indenter)를 도입하여 남겨진 샘플 재료의 압흔의 대각선 길이(예: 도 10 참조)를 측정하여 계산된다.Samples were further characterized using the Vickers hardness test. Vickers hardness (HV) is calculated by measuring the diagonal length of the indentation of the sample material (see eg FIG. 10 ) left by introducing a diamond pyramid indenter with a given load.

표 2는 서로 다른 조건에서 분말 1과 분말 2로부터 소결된 샘플의 경도를 나타낸다.Table 2 shows the hardness of samples sintered from Powder 1 and Powder 2 under different conditions.

HPHT 상태HPHT status LPLT 조건LPLT conditions 분말 1(Al2O3-HfN 결합제)Powder 1 (Al2O3-HfN binder) n/an/a 35.44 GPa35.44 GPa 분말 2(Al2O3-VN 결합제)Powder 2 (Al2O3-VN binder) 34.33 GPa34.33 GPa 32.08 GPa32.08 GPa

결과는, 모든 샘플이 상대적으로 높은 경도를 갖지만, 더 높은 압력과 온도에서 소결하면 경도가 약간만 증가한다는 것을 보여준다.The results show that although all samples have relatively high hardness, sintering at higher pressure and temperature only increases the hardness slightly.

적용 시험application test

이어서, 상이한 결합제 화학물질을 사용한 PCBN 변이체를, HRC 44 - 66의 락웰 경도를 갖는 에이징된 인코넬™ 718의 프로파일링으로 시험하였다. 결과는 도 11에 도시된다. 도 11은, 마모 속도(μm/분)와 함께 표면 절단 속도(vc, m/분)를 플롯팅한 그래프이다. 마모 속도는, 대부분의 샘플에 대해 세 가지 다른 표면 절단 속도에서 측정되었다. 이 표면 절단 속도는 280 m/분, 350 m/분 및 420 m/분이었다.PCBN variants using different binder chemistries were then tested by profiling of aged Inconel™ 718 with a Rockwell hardness of HRC 44-66. The results are shown in FIG. 11 . 11 is a graph plotting the surface cut rate (v c , m/min) with the wear rate (μm/min). Abrasion rates were measured at three different surface cut rates for most samples. These surface cut speeds were 280 m/min, 350 m/min and 420 m/min.

참조 TiC 결합제는 일반적으로 10으로 표시되고, TiCN 결합제는 12로 표시된다. Al2O3-VN(HPHT)은 참조 14로 표시된다. Al2O3-VN(LPLT)은 참조 16으로 표시된다. Al2O3-NbN(HPHT)은 참조 18로 표시된다. Al2O3-HfN(HPHT)은 참조 20으로 표시되며, 단일 데이터 포인트를 포함한다.A reference TiC binder is generally designated 10, and a TiCN binder is designated 12. Al 2 O 3 -VN (HPHT) is indicated by reference 14. Al 2 O 3 -VN(LPLT) is indicated by reference 16. Al 2 O 3 -NbN (HPHT) is indicated by reference 18. Al 2 O 3 -HfN(HPHT) is indicated by reference 20 and contains a single data point.

도 11에서, 표 1의 모든 샘플이 참조 샘플보다 성능이 더 우수함을 알 수 있다.11 , it can be seen that all samples in Table 1 performed better than the reference sample.

또한, 그래프에서 참조 14 및 16(즉, 결합제 화학물질 Al2O3-VN 사용)이 있는 샘플을 참조하면, HPHT 조건에서 소결하는 것과 비교하여 LPLT 조건에서 소결할 때 마모 속도에 약간의 차이(marginal difference)가 있다.Also, referring to the samples with References 14 and 16 (i.e. with binder chemistry Al 2 O 3 -VN) in the graph, there is a slight difference in the wear rates when sintering in LPLT conditions compared to sintering in HPHT conditions. marginal difference).

Al2O3-VN(HPHT 또는 LPLT)은 어떤 샘플보다 성능이 좋다. Al2O3-NbN이 두 번째로 우수한 성능을 발휘하고, Al2O3-HfN이 그 뒤를 이었다.Al 2 O 3 -VN (HPHT or LPLT) performed better than any sample. Al 2 O 3 -NbN had the second best performance, followed by Al 2 O 3 -HfN.

이제 도 12로 돌아가서, 제1 적용과 유사한 제2 적용 시험이 수행되었다. 제2 시험은 HRC 44 - 46의 락웰 경도를 갖는 에이징된 인코넬™ 718의 길이 방향 기계가공에서 Al2O3-VN 결합제 화학물질의 성능에 초점을 맞췄다. LPLT 및 HPHT 변형체가 모두 고려되었다.Turning now to FIG. 12 , a second application test similar to the first application was performed. The second trial focused on the performance of the Al 2 O 3 -VN binder chemistry in the longitudinal machining of aged Inconel™ 718 with a Rockwell hardness of HRC 44-46. Both LPLT and HPHT variants were considered.

도 12는, 마모 속도(μm/분)와 함께 표면 절단 속도 vc(m/분)를 플롯팅한 막대 차트이다. 단일 표면 절단 속도 350 m/분이 사용되었다. 결과는, LPLT 및 HPHT 변형체가 모두 참조 TiC 결합제 화학물질보다 훨씬 더 나은 성능을 보임을 보여주었다. 또한, LPLT와 HPHT 변형체 간에 마모 속도 성능에 최소한의 차이가 있었다.12 is a bar chart plotting the surface cut rate v c (m/min) with the wear rate (μm/min). A single surface cut speed of 350 m/min was used. The results showed that both the LPLT and HPHT variants performed much better than the reference TiC binder chemistry. In addition, there was minimal difference in wear rate performance between the LPLT and HPHT variants.

도 13 내지 15는, 생성된 마모 스카를 나타낸다. LPLT 및 HPHT Al2O3-VN 결합제 화학물질의 마모 스카는 TiC 참조 샘플보다 상당히 작다.13-15 show the resulting abrasive scars. The wear scars of the LPLT and HPHT Al 2 O 3 -VN binder chemistries are significantly smaller than the TiC reference samples.

요약하면, 본 발명자들은 극한의 툴링 적용례에서 사용하기에 적합하고 CRM에 대한 사용가능한 대체물인 여러 재료를 성공적으로 식별했다. 특히, PCBN 재료는 인코넬™ 718의 기계가공에 특히 적합하며 세멘티드 탄화물 솔루션에 비해 많은 이점을 제공한다.In summary, we have successfully identified several materials that are suitable for use in extreme tooling applications and are viable replacements for CRM. In particular, PCBN materials are particularly suitable for machining Inconel™ 718 and offer many advantages over cemented carbide solutions.

정의Justice

본 명세서에 사용된 바와 같이, "PCBN" 재료는, 금속 또는 세라믹을 포함하는 매트릭스 내에 분산된 cBN의 그레인을 포함하는 일종의 초경질 재료를 지칭한다. PCBN은 초경질 재료의 한 예이다.As used herein, "PCBN" material refers to a type of superhard material comprising grains of cBN dispersed in a matrix comprising a metal or ceramic. PCBN is an example of an ultra-hard material.

본 명세서에 사용된 바와 같이, "결합제 매트릭스 재료"는, 다결정질 구조 내의 기공, 간극 또는 간극 영역을 전체적으로 또는 부분적으로 충전하는 매트릭스 재료를 의미하는 것으로 이해된다.As used herein, "binder matrix material" is understood to mean a matrix material that fully or partially fills pores, interstices or interstitial regions within a polycrystalline structure.

"결합제 매트릭스 전구체 분말"이라는 용어는, HPHT 또는 LPLT 소결 공정을 거칠 때 매트릭스 재료가 되는 분말을 지칭하는 데 사용된다.The term "binder matrix precursor powder" is used to refer to a powder that becomes a matrix material when subjected to an HPHT or LPLT sintering process.

본 발명이 실시양태를 참조하여 구체적으로 도시되고 기술되었지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (22)

40 내지 95 부피% 입방정 질화붕소(cBN) 입자; 및
상기 cBN 입자가 분산되어 있는 결합제 매트릭스 재료
를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료로서,
상기 결합제 매트릭스 재료의 함량은 PCBN 재료의 5 부피% 내지 60 부피%이고,
상기 결합제 매트릭스 재료는 알루미늄 또는 이의 화합물 및/또는 티타늄 또는 이의 화합물을 포함하고,
상기 결합제 매트릭스 재료는, 산화물 화합물, 질화물 화합물 및/또는 산질화물(oxynitride)을 추가로 포함하고,
상기 질화물 화합물은 HfN, VN, 및 NbN으로부터 선택되는, 다결정질 입방정 질화붕소 재료.
40 to 95% by volume cubic boron nitride (cBN) particles; and
A binder matrix material in which the cBN particles are dispersed
A polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) material comprising:
The content of the binder matrix material is 5% to 60% by volume of the PCBN material,
the binder matrix material comprises aluminum or a compound thereof and/or titanium or a compound thereof,
The binder matrix material further comprises an oxide compound, a nitride compound and/or an oxynitride,
wherein the nitride compound is selected from HfN, VN, and NbN.
제1항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 5 부피% 내지 35 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
According to claim 1,
wherein the oxynitride compound is present in an amount of 5% to 35% by volume of the PCBN material.
제2항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 10 부피% 내지 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
3. The method of claim 2,
wherein the oxynitride compound is present in an amount of 10% to 25% by volume of the PCBN material.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 AlON을 포함하는, PCBN 재료.
4. The method of claim 1, 2 or 3,
wherein the oxynitride compound comprises AlON.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 화합물이 Al2O3를 포함하는, PCBN 재료.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The PCBN material, wherein the oxide compound comprises Al 2 O 3 .
제5항에 있어서,
상기 Al2O3가 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
6. The method of claim 5,
wherein the Al 2 O 3 is present in an amount of 10% by volume or 25% by volume of the PCBN material.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 HfN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
wherein the HfN is present in an amount of 10% by volume or 25% by volume of the PCBN material.
제7항에 있어서,
상기 결합제 매트릭스 재료가 HfB2 및/또는 BN을 추가로 포함하는, PCBN 재료.
8. The method of claim 7,
wherein the binder matrix material further comprises HfB 2 and/or BN.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 VN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
wherein the VN is present in an amount of 10% by volume or 25% by volume of the PCBN material.
제9항에 있어서,
상기 결합제 매트릭스 재료가 AlN 및/또는 BN을 추가로 포함하는, PCBN 재료.
10. The method of claim 9,
wherein the binder matrix material further comprises AlN and/or BN.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 NbN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
11. The method according to any one of claims 1 to 10,
wherein the NbN is present in an amount of 10% by volume or 25% by volume of the PCBN material.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알루미늄(Al) 또는 이의 화합물이 PCBN 재료의 2 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 5 부피% 내지 15 부피%, 보다 바람직하게는 5 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료.
12. The method according to any one of claims 1 to 11,
A PCBN material, wherein said aluminum (Al) or compound thereof is present in an amount of 2% to 15% by volume, preferably 5% to 15% by volume, more preferably 5% by volume of the PCBN material.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
50 내지 70 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함하는 PCBN 재료.
13. The method according to any one of claims 1 to 12,
A PCBN material comprising 50 to 70 volume percent cubic boron nitride (cBN).
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
60 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함하는 PCBN 재료.
14. The method according to any one of claims 1 to 13,
A PCBN material comprising 60% by volume cubic boron nitride (cBN).
o 입방정 질화붕소(cBN) 분말,
o 산화물-함유 분말,
o HfN, VN, 및/또는 NbN으로부터 선택되는 질화물-함유 분말, 및
o 알루미늄-함유 분말 및/또는 티타늄-함유 분말
의 전구체 분말들을 함께 밀링(milling)하는 단계;
밀링된 전구체 분말을 압착(compacting)하여 그린 바디(green body)를 형성하는 단계; 및
상기 그린 바디를 4.0 GPa 내지 8.5 GPa의 압력에서 1250℃ 내지 2200℃의 온도에서 소결하여 소결된 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료를 형성하는 단계
를 포함하는 PCBN 재료의 제조 방법.
o cubic boron nitride (cBN) powder,
o oxide-containing powders,
o a nitride-containing powder selected from HfN, VN, and/or NbN, and
o Aluminum-containing powders and/or titanium-containing powders
milling the precursor powders of
forming a green body by compacting the milled precursor powder; and
Sintering the green body at a temperature of 1250° C. to 2200° C. at a pressure of 4.0 GPa to 8.5 GPa to form a sintered polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) material according to any one of claims 1 to 14;
A method of manufacturing a PCBN material comprising a.
제15항에 있어서,
상기 산화물-함유 분말이 Al2O3를 포함하는, 제조 방법.
16. The method of claim 15,
wherein the oxide-containing powder comprises Al 2 O 3 .
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 온도가 1250℃ 내지 1450℃인, 제조 방법.
17. The method of claim 15 or 16,
wherein the temperature is 1250°C to 1450°C.
제17항에 있어서,
상기 온도가 1350℃인, 제조 방법.
18. The method of claim 17,
wherein the temperature is 1350 °C.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 압력이 약 6.5 GPa인, 제조 방법.
19. The method of claim 17 or 18,
wherein the pressure is about 6.5 GPa.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 온도가 1800℃ 내지 2100℃인, 제조 방법.
17. The method of claim 15 or 16,
The temperature is 1800 °C to 2100 °C, the manufacturing method.
제20항에 있어서,
상기 압력이 약 8 GPa인, 제조 방법.
21. The method of claim 20,
wherein the pressure is about 8 GPa.
내열성 초합금(HRSA)을 기계가공하기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 PCBN 재료의 용도.Use of a PCBN material according to any one of claims 1 to 14 for machining heat-resistant superalloys (HRSA).
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